Q345C vs Q345D – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
Q345 é uma família de aço estrutural de alta resistência e baixo teor de liga, designado pela China, amplamente utilizado. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam um dilema comum de seleção ao especificar subcategorias do Q345: a carga de projeto e o ambiente de serviço geralmente permitem várias subcategorias que têm características de resistência e fabricação quase idênticas, mas diferentes requisitos de tenacidade a baixa temperatura e custos de qualificação associados. A escolha entre duas subcategorias adjacentes, como Q345C e Q345D, geralmente se resume a equilibrar custo e disponibilidade em relação à necessidade de desempenho de impacto garantido em temperaturas mais baixas.
A principal distinção prática entre Q345C e Q345D é a tenacidade verificada exigida em serviço a frio: Q345D é especificado e certificado para desempenho de impacto em temperaturas mais baixas do que Q345C. Como suas composições químicas nominais e níveis de resistência estática são essencialmente os mesmos, os projetistas os comparam principalmente em termos de ductilidade/tenacidade a baixa temperatura e quaisquer implicações de processo que se seguem (pré-aquecimento, qualificação do procedimento de soldagem e controles de fabricação).
1. Normas e Designações
- Padrão chinês: GB/T 1591 — “Aço estrutural de alta resistência e baixa liga” (série Q345).
- Outros paralelos regionais: EN S355 (estrutural), ASTM A572 Grau 50 (equivalentes aproximados em desempenho, não uma correspondência química direta).
- Classificação: tanto Q345C quanto Q345D são aços carbono estruturais HSLA (alta resistência e baixa liga) com adições de microaliagem usadas para alcançar resistência e tenacidade.
Nota: As subcategorias Q345 (A, B, C, D, E) são distinguidas principalmente pela temperatura de teste de impacto obrigatória e aceitação de energia; elas não são famílias de liga separadas como inoxidável vs. carbono.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | Papel típico na série Q345 | Faixa de composição típica (representativa) |
|---|---|---|
| C (Carbono) | Controle de resistência, dureza, influência na soldabilidade | ~0,12–0,20% em peso (design de baixo carbono) |
| Mn (Manganês) | Desoxidação, resistência à tração, temperabilidade | ~1,0–1,7% em peso (principal elemento de liga) |
| Si (Silício) | Desoxidante, pequena contribuição para resistência | ≤ ~0,5% em peso |
| P (Fósforo) | Impureza; risco de fragilização se alto | ≤ ~0,035% em peso |
| S (Enxofre) | Impureza; afeta usinabilidade e tenacidade | ≤ ~0,035% em peso |
| Cr (Cromo) | Temperabilidade e resistência à corrosão (menor) | ≤ ~0,3% em peso (traço em muitas fusões) |
| Ni (Níquel) | Tenacidade em temperaturas baixas (se presente) | ≤ ~0,3% em peso (geralmente baixo) |
| Mo (Molibdênio) | Temperabilidade e resistência (menor) | Tipicamente ≤ ~0,08% em peso |
| V, Nb, Ti (Microaliagem) | Refinamento de grão, endurecimento por precipitação | Adições de traço (ppm a ~0,02% em peso) |
| B (Boro) | Temperabilidade em quantidades muito pequenas (raro) | Traço se presente |
| N (Nitrogênio) | Afeta precipitados e tenacidade | Controlado em níveis baixos |
Comentários: - As classes Q345 são projetadas como aços de baixo carbono, ligadas ao Mn. A microaliagem (V, Nb, Ti) pode ser usada pelas usinas para atingir a especificação de limite de 345 MPa com controle de tamanho de grão e endurecimento por precipitação, em vez de aumentar o carbono. - O resultado prático é que Q345C e Q345D compartilham tipicamente composições químicas quase idênticas; a designação da subcategoria reflete a inspeção e os testes de impacto em diferentes temperaturas, em vez de estratégias de liga fundamentalmente diferentes.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura típica: ferrita–pearlita (ou ferrita com constituintes bainíticos finos, dependendo da laminação e resfriamento), com precipitados de microaliagem se V/Nb/Ti forem usados. O refinamento de grão pela microaliagem aumenta a tenacidade sem grandes aumentos no carbono.
- Normalização: rota de produção comum para chapas e seções estruturais — produz uma matriz de ferrita–pearlita temperada com melhor uniformidade e tenacidade.
- Resfriamento e tempera: não é típico para produtos estruturais Q345 padrão; esses processos são mais comuns para aços temperados de maior resistência ou peças que requerem dureza específica.
- Processamento controlado termo-mecânico (TMCP): amplamente utilizado para alcançar propriedades do Q345 — laminação controlada e resfriamento acelerado refinam o tamanho do grão e aumentam a resistência sem alto teor de carbono.
- Efeito nas classes: como a química intrínseca é semelhante para Q345C e Q345D, as diferenças microestruturais surgem da história de laminação/térmica e controle da usina. Para atender à aceitação de impacto a temperaturas mais baixas do Q345D, as usinas controlarão o processamento e o tratamento térmico de forma mais rigorosa (grão mais fino, precipitação otimizada) e realizarão os testes de impacto exigidos.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | Q345C (típico) | Q345D (típico) |
|---|---|---|
| Resistência mínima especificada ao escoamento | 345 MPa (nominal) | 345 MPa (nominal) |
| Resistência à tração | ~470–630 MPa (depende da espessura/formato do produto) | ~470–630 MPa (similar) |
| Alongamento (A%) | ~20% (varia com a espessura) | ~20% (similar) |
| Requisito de tenacidade ao impacto | Verificado por CVN a uma temperatura especificada (subzero moderado) | Verificado por CVN a uma temperatura especificada mais baixa (serviço mais frio) |
| Dureza | Faixa típica de aço estrutural; não é uma especificação primária | Comparável ao Q345C |
Explicação: - Resistência: ambas as classes são especificadas para a mesma resistência mínima ao escoamento (345 MPa), portanto, nenhuma é inerentemente “mais forte” em capacidade de carga estática. - Tenacidade: Q345D é qualificado para serviço mais frio por meio de testes de impacto a uma temperatura mais baixa (aceitação mais rigorosa) e, portanto, fornece maior tenacidade garantida em temperaturas mais baixas. Isso é alcançado por meio de processamento e controles mais rigorosos da usina, em vez de química grossamente diferente. - Ductilidade: os valores nominais de alongamento são semelhantes; a ductilidade a baixa temperatura que afeta o comportamento de fratura é o principal diferenciador e é validada por testes de impacto.
5. Soldabilidade
A soldabilidade dos aços Q345 é geralmente boa devido ao baixo teor de carbono e à liga controlada. No entanto, a microaliagem e o maior teor de Mn/temperabilidade podem aumentar a necessidade de pré-aquecimento ou controle de entrada de calor em seções grossas.
Índices de soldabilidade úteis: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - Tanto Q345C quanto Q345D têm baixo carbono nominal e Mn moderado, resultando em índices relativamente baixos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em comparação com aços de alta liga. Isso geralmente indica boa soldabilidade. - O requisito de tenacidade a temperaturas mais baixas do Q345D pode significar que os procedimentos de soldagem devem ser validados para a temperatura de serviço pretendida (pré-aquecimento, temperatura entre passes e considerações de tratamento térmico pós-soldagem). Para seções mais grossas ou estruturas soldadas complexas, a qualificação do procedimento deve incluir testes de impacto (ou justificativa) relevantes para a temperatura de serviço mais baixa. - Elementos de microaliagem (V, Nb) e maior Mn aumentam a temperabilidade localmente; assegure parâmetros de soldagem apropriados para evitar suscetibilidade a trincas frias nas zonas afetadas pelo calor (HAZ).
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Q345C e Q345D são aços carbono/ligados não inoxidáveis; a resistência intrínseca à corrosão é limitada.
- Estratégias de proteção típicas: galvanização a quente, revestimentos ricos em zinco, sistemas de pintura (primers epóxi, camadas de poliuretano), ou revestimentos especializados resistentes à corrosão para serviço marinho/offshore.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável aos aços Q345 porque o PREN é usado para ligas inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para aplicações que requerem resistência significativa à corrosão (água do mar, atmosferas ricas em cloreto), use graus inoxidáveis ou ligas resistentes à corrosão em vez de confiar no Q345 com revestimentos.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: os aços Q345 são usinados de forma semelhante a outros aços estruturais de baixa liga. O baixo teor de carbono e o enxofre controlado ajudam a evitar desgaste excessivo das ferramentas; a usinabilidade depende da prática de fusão e da microaliagem.
- Formabilidade e dobra: ambas as classes são facilmente moldadas, laminadas e dobradas a frio dentro dos limites determinados pela espessura e raio de dobra. O Q345D pode exigir mais atenção ao formar componentes para serviço a temperaturas muito baixas, pois as operações de formação (e qualquer trabalho a frio induzido) podem afetar a tenacidade localizada; tratamento térmico pós-formação ou qualificação pode ser necessário para peças críticas.
- Preparação da superfície e endireitamento: práticas normais se aplicam. Evite superaquecimento localizado durante o corte a oxigênio em seções mais grossas para prevenir a fragilização da HAZ; se o serviço for a frio, planeje a verificação de impacto da HAZ, se necessário.
8. Aplicações Típicas
| Q345C — Usos típicos | Q345D — Usos típicos |
|---|---|
| Componentes estruturais gerais (estruturas de edifícios, pontes onde é necessária tolerância ao frio moderada) | Componentes estruturais em ambientes de baixa temperatura (pontes em climas frios, estruturas refrigeradas) |
| Estruturas de máquinas, guindastes, fabricação geral | Estruturas offshore ou próximas à costa onde a tenacidade a baixa temperatura é exigida pelo cliente/especificação |
| Chapadas, vigas, canais para engenharia civil | Componentes de superfície marinha e estruturas de convés com zonas de ambiente ou respingos mais frios (com proteção contra corrosão apropriada) |
| Montagens soldadas, contêineres para serviço não criogênico | Aplicações onde qualificação/testes adicionais para baixas temperaturas são exigidos |
Racional de seleção: - Escolha Q345C onde as temperaturas de projeto não se aproximam do limite inferior que acionaria a qualificação do Q345D, para economizar em testes e possivelmente custos. - Escolha Q345D onde a tenacidade de impacto garantida a uma temperatura mais baixa é exigida por código, cliente ou exposição ambiental.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo do material base: Q345C e Q345D são produzidos a partir da mesma rota de produção e matérias-primas; o custo intrínseco do material é semelhante.
- Fatores de custo adicionais para Q345D:
- Controles e processamento adicionais da usina para atender à tenacidade a temperaturas mais baixas.
- Testes de impacto e certificação extras na temperatura mais baixa.
- Possível prêmio para chapas e seções estocadas certificadas para Q345D.
- Disponibilidade: ambas as classes são comuns em chapas, folhas e seções estruturais nas principais regiões de mercado onde os aços baseados em GB/T são estocados. O Q345C é frequentemente mais comumente estocado; o Q345D pode estar disponível sob solicitação ou com prazo de entrega para entregas certificadas.
10. Resumo e Recomendação
| Característica | Q345C | Q345D |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa (baixo C, Mn moderado); WPS padrão se aplica | Boa, mas com atenção à tenacidade da HAZ a temperaturas mais baixas e qualificação do procedimento |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | 345 MPa de escoamento; tenacidade adequada à temperatura ambiente | 345 MPa de escoamento; tenacidade a baixa temperatura garantida mais alta (por teste) |
| Custo & disponibilidade | Levemente mais comum/barato devido a testes menos rigorosos | Pequeno prêmio e às vezes prazo de entrega mais longo para certificação |
Recomendação: - Escolha Q345C se: a temperatura de serviço mais baixa do seu projeto estiver acima da temperatura de qualificação para Q345C, você quiser minimizar custos de teste/certificação e não precisar de tenacidade de impacto verificada em condições subzero mais baixas. - Escolha Q345D se: a estrutura operar em climas mais frios ou houver um requisito regulatório/cliente para tenacidade de impacto a uma temperatura mais baixa; quando a tenacidade à fratura em temperaturas mais baixas for uma preocupação crítica de segurança; ou quando os códigos exigirem a temperatura de teste mais baixa para seções soldadas ou grossas.
Nota final: Como as bases químicas e a resistência estática são efetivamente as mesmas para ambas as subcategorias, a seleção deve ser guiada pelos requisitos de tenacidade à fratura validados para a temperatura de serviço antecipada, necessidades de qualificação do procedimento de soldagem e quaisquer restrições de segurança ou regulatórias. Consulte o código do projeto e os certificados de teste da usina (MTCs) para confirmar a temperatura específica do teste de impacto e os critérios de aceitação para o produto solicitado.